Informasi mengenai ilmu dan teknologi nuklir bagi orang awam

Mengapa materi bisa mengeluarkan radiasi ?

Saya pernah mendapatkan pertanyaan seperti ini
Mengapa beberapa material, misalnya uranium, dapat mengeluarkan radiasi secara alami?
Pertanyaan yang sederhana, tapi jawabannya bisa panjang… :)
Materi tersusun atas inti atom dan elektron yang berada di luar inti atom. Di dalam inti atom, itu ada proton dan neutron. Proton dan neutron sebenarnya juga tersusun atas partikel yang lebih kecil lagi, yang disebut dengan quark, tapi untuk sementara kita tidak membicarakan quark ini.
Proton punya muatan listrik positif, dan neutron tidak punya muatan listrik alias netral. Kita semua tahu bahwa muatan listrik yang sama akan tolak-menolak dan muatan yang berbeda akan tarik-menarik.

Karena bermuatan listrik yang sama, maka proton-proton di dalam inti atom akan saling tolak-menolak.
Lalu pertanyaanya:

Kalau tolak-menolak, mengapa proton bisa menyatu di inti atom? 

Ternyata, selain gaya listrik di dalam inti atom juga ada yang namanyagaya nuklir kuat yang saling tarik-menarik. Gaya ini kuat sekali, tetapi jangkauannya sangat pendek, yaitu sekitar 1 fm (femtometer) atau 1/1000000000000000 meter. Antara proton yang satu dengan proton yang lain akan saling tarik-menarik karena gaya nuklir kuat ini. Uniknya, kalau jarak antar proton kurang dari 0,7 fm, maka proton akan saling tolak menolak. Kalau jaraknya lebih dari 0,7 fm akan tarik-menarik. Kalau jaraknya di atas 2 fm, gaya nuklir kuat ini akan berkurang kekuatannya secara drastis. Pada jarak di bawah 1,7 fm, gaya nuklir kuat lebih besar daripada gaya listrik (gaya Coulomb, gaya tolak-menolak).

Gaya mana yang lebih dominan, tergantung dari besarnya masing-masing gaya. Kalau yang dominan adalah gaya nuklir kuat (tarik-menarik), maka inti atom akan tetap utuh. Istilahnya adalah atomnyastabil. Kalau yang dominan adalah gaya listrik (tolak-menolak), maka inti atom akan “pecah”. Istilahnya kerennya adalah atom akan meluruh (mengalami peluruhan). Nah, selain proton kan masih ada neutron tuh. Karena neutron tidak bermuatan listrik, maka neutron tidak memberikan kontribusi apapun terhadap gaya tolak-menolak. Tapi neutron memberikan tambahan gaya tarik-menarik. Dengan kata lain keberadaan neutron meningkatkan kestabilan atom.
Gambar di bawah ini mengilustrasikan beberapa susunan inti atom ringan.

Semua inti atom pasti mempunyai neutron, kecuali atom hidrogen yang terdiri dari satu proton saja. Atom yang mengandung lebih dari satu proton, pasti mempunyai neutron.
Sebaliknya, tidak ada inti atom yang tersusun cuma neutron saja, tanpa proton. Beberapa inti atom yang ringin, misalnya oksigen dan silikon, mempunyai proton yang sama banyaknya dengan neutron. Inti atom yang lebih besar (dan lebih berat) mempunyai neutron yang lebih banyak daripada proton.
Dengan demikian bisa disimpulkan bahwa:

1. Neutron diperlukan agar proton bisa “menempel”, dan sebaliknya, proton juga diperlukan agar neutron bisa “menempel” di dalam inti atom.
2. Jika banyaknya proton dan neutron menjadi semakin besar, maka daya tolak-menolak proton harus dikompensasi dengan adanya neutron tambahan (ekstra).

Nah, ada susunan inti atom tertentu (jumlah neutron tertentu, jumlah proton tertentu) yang membuat inti atom tetap stabil. Jika jumlah neutron lebih besar atau lebih kecil daripada yang ada pada susunan stabil itu, maka inti atomnya jadi meluruh.
Gambar di bawah ini adalah peta kestabilan inti atom, dengan sumbu horisontal adalah banyaknya proton dan sumbu vertikal adalah banyaknya neutron di dalam inti atom.

Garis lurus diagonal warna hitam menandakan jumlah proton dan neutron yang sama banyaknya di dalam inti atom. Atom yang stabil ditandai dengan kotak berwarna hitam. Tampak bahwa inti atom ringan yang stabil (protonnya sedikit), banyaknya neutron sama dengan banyaknya proton. Atom-atom yang lebih berat dan stabil, banyaknya neutron lebih besar daripada proton (posisi di peta adalah di atas garis diagonal hitam).

Apa yang terjadi ketika inti atom tidak stabil dan meluruh?

Ketika meluruh, inti atom akan mengeluarkan radiasi, yang pada dasarnya adalah memancarkan energi.Tujuannya adalah agartercapai kondisi inti atom yang stabil. Jenis radiasi yang dipancarkan oleh inti atom ada beberapa macam, misalnya partikel alfa, partikel beta, sinar gamma dan neutron. Kita akan membahas jenis-jenis radiasi ini di tulisan yang lain.

Lalu bagaimana dengan uranium?

Unsur alami yang ada di bumi ini kan banyak. Dari sekian banyak itu, unsur yang stabil punya nomor atom 82 atau lebih rendah. Nomor atom itu menunjukkan banyaknya proton di dalam inti atom. Dengan kata lain, Timbal (Pb) yang punya nomor atom 82 adalah unsur alami terberat yang masih stabil. Unsur-unsur lain yang nomor atomnya di atas 82, sifatnya selalu radioaktif (memancarkan radiasi) karena tidak stabil.

Uranium punya nomor atom 92, jadi sifatnya radioaktif. Radiasi yang dipancarkan oleh uranium adalah partikel alfa, yang sebenarnya mengandung 2 proton dan 2 neutron. Nah, karena kehilangan 2 proton, maka uranium berubah menjadi Thorium yang punya nomor atom 90. Thorium juga radioaktif, jadi meluruh menjadi Protactinium yang juga radioaktif. Demikian seterusnya proses peluruhan akan berlangsung terus membentuk rantai peluruhan dan berakhir ketika unsur yang terbentuk adalah timbal yang sifatnya stabil. Jadi jutaan tahun yang akan datang, semua uranium yang ada di bumi ini (jika tidak dimanfaatkan) akan menjadi timbal.


SEMOGA BERMANFAAT